Forskare vid Tohoku University har utvecklat en metod för att förbättra kvantsensorer genom att koppla ihop supraledande qubits i optimerade nätverk, vilket potentiellt kan detektera svaga signaler från mörk materia. Detta tillvägagångssätt överträffar traditionella metoder även under realistiska brusförhållanden. Resultaten kan utvidgas till applikationer inom radar, MRI och navigeringstekniker.
Att detektera mörk materia, den osynliga substansen som tros hålla galaxer samman, förblir en stor utmaning inom fysiken. Även om den inte kan observeras direkt misstänker forskare att den lämnar subtila spår som avancerad kvantteknologi skulle kunna fånga upp. Ett team från Tohoku University har introducerat en strategi för att öka känsligheten hos kvantsensorer genom att koppla dem i noggrant utformade nätverk.
Forskningen fokuserar på supraledande qubits, små elektroniska kretsar som hålls vid extremt låga temperaturer. Dessa qubits används vanligtvis i kvantdatorer men fungerar här som ultrasensitiva detektorer. Genom att organisera dem i mönster som ringar, linjer, stjärnor eller helt sammankopplade strukturer förstärker nätverken svaga signaler effektivare än en enskild sensor skulle kunna.
Teamet testade system med fyra och nio qubits och använde variationell kvantmetrologi — liknande träning av en maskininlärningsalgoritm — för att optimera kvanttillståndsberedning och mätning. De tillämpade också bayesiansk uppskattning för att mildra brus, liknande att skärpa en suddig bild. Även med tillagt realistiskt brus överträffade de optimerade nätverken konventionella metoder.
"Vårt mål var att ta reda på hur man organiserar och finjusterar kvantsensorer så att de kan detektera mörk materia mer pålitligt", sade Dr. Le Bin Ho, studiens huvudförfattare. "Nätverksstrukturen spelar en nyckelroll i att förbättra känsligheten, och vi har visat att det kan göras med relativt enkla kretsar."
Utöver detektion av mörk materia lovar tekniken applikationer inom kvantRadar, gravitationsvågsdetektion, precis tidhållning, förbättrad GPS-noggrannhet, förbättrade MRI-skanningar och kartläggning av underjordiska strukturer. "Denna forskning visar att noggrant utformade kvantnätverk kan utöka gränserna för vad som är möjligt inom precisionsmätning", tillade Dr. Ho. "Det öppnar dörren för att använda kvantsensorer inte bara i laboratorier utan i verktyg i den verkliga världen som kräver extrem känslighet."
Teamet planerar att skala upp till större nätverk och förbättra brusresistens. Deras arbete, som är medförfattat av Adriel I. Santoso, publicerades i Physical Review D den 1 oktober 2025.